Rewolucja w bateriach samochodów elektrycznych: odzyskują aż 95% swojej pojemności dzięki prostemu procesowi

Jednym z głównych problemów, gdy bateria dobiega końca swojego okresu użytkowania, jest to, że większość obecnych procesów recyklingu polega na jej zniszczeniu w celu odzyskania materiałów. Zespół badaczy z Uniwersytetu Cornell zaproponował teraz zupełnie inną alternatywę: zamiast demontować elektrody, aby przekształcić je w surowiec, próbuje się przywrócić ich funkcjonowanie i ponownie je wykorzystać. Metoda ta, nazwana DEER, pozwoliła odzyskać aż 95% pierwotnej pojemności w przeprowadzonych testach.

Kluczem jest jeden z typowych mechanizmów degradacji baterii litowych. Z każdym cyklem ładowania i rozładowywania na elektrodach gromadzi się warstwa znana jako SEI – stała interfejsowa, która pełni niezbędną funkcję dla prawidłowego działania baterii, ale z czasem rośnie zbyt mocno, utrudniając ruch elektronów. Gdy ta warstwa staje się grubsza, wzrasta opór, a dostępna pojemność zaczyna spadać.

Naukowcy z Cornell opracowali proces zwany Direct Electrode-to-Electrode Regeneration (DEER), który działa właśnie na tę warstwę. W tym celu wyjmują elektrody z użytych ogniw, zachowując je nienaruszone, i umieszczają je w kąpieli elektrochemicznej zawierającej 1,3-dimetyl-2-imidazolidinonę, znaną jako DMI. Ten związek umożliwia rozpuszczenie znacznej części nagromadzonej warstwy interfejsowej bez niszczenia struktury elektrody.

Po obróbce elektrody mogą być ponownie wykorzystane do stworzenia nowej komórki. Jest to istotna różnica w porównaniu z tradycyjnym recyklingiem, w którym baterie są rozdrabniane i ostatecznie przekształcane w mieszaninę znaną jako masa czarna. Z niej odzyskuje się materiały takie jak lit, nikel, kobalt, mangan, miedź czy aluminium za pomocą procesów o wysokiej temperaturze lub obróbek chemicznych, ale oryginalne elektrody znikają podczas tego procesu.

Wyniki uzyskane przez Cornell są szczególnie interesujące. Komórki zregenerowane za pomocą DEER odzyskały aż 95% swojej początkowej pojemności, przy czym wykazywały także wolniejsze zużycie niż baterie używane, które nie przeszły takiego trattowania. Podczas testów spadek pojemności zmienił się z 0,072% na cykl w komórkach uszkodzonych i nieregenerowanych na 0,042% na cykl po zabiegu. To wolniejsze zużycie utrzymywało się przez około 800 cykli, zanim szybkość ponownie wzrosła.

Eksperyment otwiera również możliwość nadania tym samym elektrodom więcej niż jednego okresu użytkowania. Badacze przeprowadzili drugą procedurę naprawczą na baterii, która została już zregenerowana, i udało im się przywrócić około 90% jej pierwotnej pojemności. Nie oznacza to, że każda bateria może być w nieskończoność poddawana temu procesowi, ale pokazuje, że regeneracja może być powtarzana, gdy głównym problemem jest gromadzenie się tej warstwy na elektrodach.

Tutaj pojawia się jedna z najciekawszych aplikacji dla samochodów elektrycznych. Zespół Cornell pracował z bateriami, których stan zdrowia wynosił od 70% do 80%, co może odpowiadać momencowi, w którym bateria przestaje być odpowiednia do spełniania określonych wymagań samochodu. Jednak utrata pojemności baterii nie oznacza koniecznie, że jej elektrody zostały zniszczone. Jeśli degradacja wynika głównie z nagromadzenia się substancji na interfejsie, nadal może istnieć znaczna ilość materiału, który można odzyskać.

To nie oznacza, że DEER zastąpi konwencjonalne recyklingowanie. Ta metoda ma dość wąski zakres zastosowania. Jeśli akumulator uległ utracie litu, ma pęknięte cząsteczki, uszkodzeniom strukturalnym lub problemom mechanicznym, usunięcie warstwy powierzchniowej nie rozwiąże problemu. W takich przypadkach nadal będą potrzebne procesy umożliwiające odzyskanie materiałów z uszkodzonego akumulatora.

Ponadto istnieje jeszcze jeden ważny przeszkoda w wprowadzeniu tej technologii do samochodów elektrycznych produkowanych seryjnie. Badacze stwierdzili, że bezpośrednie umieszczenie DMI w nienaruszonej komórce nie przynosi dobrych rezultatów. Konieczne jest rozmontowanie baterii, wyjęcie elektrod, ich przetworzenie i umycie przed ponownym użyciem. To, co działa w laboratorium, musi zostać przekształcone w bezpieczny, powtarzalny proces przemysłowy zdolny do obsługi dużych ilości baterii.

Część dotycząca aspektów ekonomicznych również jest uderzająca. Badanie szacuje, że produkcja komórek z recyklingu przy użyciu metody DEER kosztowałaby około 15,25 dolarów za kilogram, w porównaniu z 26,31 dolarami przy zastosowaniu pirometalurgii. Biorąc za podstawę kurs z 21 września 2026 roku, mowa jest o około 13,3 euro za kilogram w porównaniu z 22,9 euro za kilogram. Analiza przeprowadzona przez Cornell szacuje ponadto 56% obniżkę kosztów produkcji komórek z recyklingu w porównaniu z tradycyjnymi metodami.

Jest jednak jedna ważna, mała kwestia. DMI stanowi około 63% kosztu procesu w opublikowanej ocenie, a obliczenia nie uwzględniają jeszcze jego odzyskania w celu ponownego użycia. Jeśli przemysł zdoła efektywnie odzyskać i ponownie wykorzystać ten związek, gospodarka całego systemu może się poprawić, chociaż będzie to musiało zostać udowodnione poza laboratorium.

Na razie kolejnym krokiem dla zespołu z Cornell jest przetestowanie DEER z większymi bateriami pochodzącymi z rzeczywistych zastosowań, a także próba rozwiązania innych problemów związanych z degradacją, takich jak utrata litu. Jeśli uda im się przezwyciężyć te przeszkody, ten pomysł może zmienić sposób, w jaki postrzegamy recykling baterii: nie zawsze trzeba będzie czekać do końca, aby odzyskać ich składniki, ponieważ w niektórych przypadkach bardziej opłacalne może być najpierw naprawienie tego, co nadal można wykorzystać.

Źródło | Pubs.rsc.org